VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计(第四版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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侯伯亨，刘凯，顾新 著

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• Verilog
• 数字系统设计
• 可编程逻辑器件
• 第四版
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出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560634265

商品编码：29741594427

包装：平装

出版时间：2014-08-01

基本信息

书名：VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计(第四版)

定价：45.00元

作者：侯伯亨,刘凯,顾新

出版社：西安电子科技大学出版社

出版日期：2014-08-01

ISBN：9787560634265

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书是原书第三版的简明版，删去了原书中的有关内容和附录A，以便于阅读和使用。该书系统地介绍了用VHDL语言设计数字系统和数字逻辑电路硬件的方法。工程实例丰富，便于学习和理解，对从事实际电子电路设计人员有较大实用参考价值。

目录

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章 数字系统硬件设计概述 1.1 传统的系统硬件设计方法 1.2 利用硬件描述语言的硬件电路设计方法 习题与思考题第2章 数字系统的算法描述 2.1 数字系统算法流程图描述 2.1.1 算法流程图的符号及描述方法 2.1.2 算法流程图描述数字系统实例 2.2 状态机及算法状态机图描述 2.2.1 状态机的分类及特点 2.2.2 算法状态机流程图的符号及描述方法 2.2.3 算法状态机图描述实例 2.2.4 算法流程图至状态图的变换方法 2.2.5 状态图至算法状态机图的变换方法 2.2.6 C语言流程图至算法状态机图的变换方法 习题与思考题第3章 VHDL程序的基本结构 3.1 VHDL设计的基本单元及其构成 3.1.1 实体说明 3.1.2 构造体 3.2 VHDL构造体的子结构描述 3.2.1 BLOCK语句结构描述 3.2.2 PROCESS语句结构描述 3.2.3 SUBPROGRAM语句结构描述 3.3 库、包集合及配置 3.3.1 库 3.3.2 包集合 3.3.3 配置 习题与思考题第4章 VHDL的数据类型与运算操作符 4.1 VHDL的客体及其分类 4.1.1 常数 4.1.2 变量 4.1.3 信号 4.1.4 信号和变量值代入的区别 4.1.5 文件 4.2 VHDL的数据类型 4.2.1 标准的数据类型 4.2.2 用户定义的数据类型 4.2.3 用户定义的子类型 4.2.4 数据类型的转换 4.2.5 数据类型的限定 4.2.6 IEEE标准“STD_LOGIC”和 “STD_LOGIC VECTOR” 4.3 VHDL的运算操作符 4.3.1 逻辑运算符 4.3.2 算术运算符 4.3.3 关系运算符 4.3.4 并置运算符 习题与思考题第5章 VHDL构造体的描述方式 5.1 构造体的行为描述方式 5.1.1 代入语句 5.1.2 延时语句 5.1.3 多驱动器描述语句 5.1.4 GENERIC语句 5.2 构造体的寄存器传输(RTL)描述方式 5.2.1 RTL描述方式的特点 5.2.2 使用RTL描述方式应注意的问题 5.3 构造体的结构描述方式 5.3.1 构造体结构描述的基本框架 5.3.2 PONENT语句 5.3.3 PONENT_INSTANT语句 习题与思考题第6章 VHDL的主要描述语句 6.1 顺序描述语句 6.1.1 WAIT语句 6.1.2 断言语句 6.1.3 信号代入语句 6.1.4 变量赋值语句 6.1.5 IF语句 6.1.6 CASE语句 6.1.7 LOOP语句 6.1.8 NEXT语句 6.1.9 EXIT语句 6.2 并发描述语句 6.2.1 进程语句 6.2.2 并发信号代入语句 6.2.3 条件信号代入语句 6.2.4 选择信号代入语句 6.2.5 并发过程调用语句 6.2.6 块语句 6.3 其他语句和有关规定的说明 6.3.1 命名规则和注解的标记 6.3.2 ATTRIBUTE(属性)描述与定义语句 6.3.3 GENERATE语句 习题与思考题第7章 数值系统的状态模型 7.1 二态数值系统 7.2 三态数值系统 7.3 四态数值系统 7.4 九态数值系统 7.5 十二态数值系统 7.6 四十六态数值系统 习题与思考题第8章 基本逻辑电路设计 8.1 组合逻辑电路设计 8.1.1 简单门电路 8.1.2 编、译码器与选择器 8.1.3 加法器与求补器 8.1.4 三态门与总线缓冲器 8.2 时序电路设计 8.2.1 时钟信号和复位信号 8.2.2 触发器 8.2.3 寄存器 8.2.4 计数器 8.3 存储器 8.3.1 存储器描述中的共性问题 8.3.2 ROM(只读存储器) 8.3.3 RAM(存储器) 8.3.4 FIFO(先进先出堆栈) 习题与思考题第9章 仿真与逻辑综合 9.1 仿真 9.1.1 仿真输入信息的产生 9.1.2 仿真△ 9.1.3 仿真程序模块的书写 9.2 逻辑综合 9.2.1 约束条件 9.2.2 属性描述 9.2.3 2工艺库 9.2.4 逻辑综合的基本步骤 习题与思考题0章 数字系统的实际设计技巧 10.1 数字系统优化的基本方法 10.1.1 相同电路的处理 10.1.2 运算顺序的改变 10.1.3 常数运算的运用 10.1.4 相同运算电路的使用 10.1.5 优化的必要性及其工程实际意义 10.2 数字系统设计中的工程实际问题 10.2.1 提高系统工作速度的方法 10.2.2 缩小电路规模和降低功耗的方法 10.2.3 系统误操作的成因及其消除方法 10.2.4.非同步信号的控制方法 10.2.5 典型状态机状态编码的选择 习题与思考题1章 洗衣机洗涤控制电路设计实例 11.1 洗衣机洗涤控制电路的性能要求 11.2 洗衣机洗涤控制电路的结构 11.3 洗衣机洗涤控制电路的算法状态机图描述 11.4 洗衣机洗涤控制电路的VHDL描述 习题与思考题2章 微处理器接口芯片设计实例. 12.1 可编程并行接口芯片设计实例 12.1.1 8255的引脚与内部结构 12.1.2 8255的工作方式及其控制字 12.1.3 8255的结构设计 12.1.4 8255芯片的VHDL描述 12.1.5 8255芯片VHDL描述模块的仿真 12.2 SCI串行接口芯片设计实例 12.2.1 SCI的引脚与内部结构 12.2.2 串行数据传送的格式与同步控制机构 12.2.3 SCI芯片的VHDL描述 12.2.4 SCI芯片VHDL描述模块的仿真 12.3 键盘接口芯片KBC设计实例 12.3.1 KBC的引脚与内部结构 12.3.2 同步控制机构和查表变换 12.3.3 KBC芯片的VHDL描述 12.3.4 KBC芯片VHDL描述模块的仿真 习题与思考题3章 VHDL 93版和87版的主要区别 13.1 VHDL93版的特点 13.2 87版到93版的移植问题附录A VHDL文法介绍附录B 属性说明附录C VHDL标准包集合文件参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计（第四版）》是一本系统性讲解VHDL语言及其在数字逻辑电路设计中应用的权威著作。本书旨在为读者提供扎实的理论基础和丰富的实践经验，帮助他们掌握现代数字系统设计的核心技能。 内容概述 本书共分为四个主要部分： 第一部分：数字逻辑电路基础 这部分是理解VHDL语言和数字电路设计的前提。它从最基本的逻辑门和逻辑运算开始，逐步深入到组合逻辑和时序逻辑电路的设计原理。 基本逻辑概念： 详细阐述了布尔代数的基本公理和定理，以及与、或、非、异或、同或等基本逻辑门的功能和真值表。通过分析这些基本门电路的组合，引出了更复杂的逻辑功能。 组合逻辑电路： 重点介绍了组合逻辑电路的特点——输出仅取决于当前输入，与过去输入无关。本书涵盖了多种组合逻辑电路的设计方法，包括： 逻辑函数的简化： 讲解了卡诺图（Karnaugh Map）和布尔代数化简等方法，用于简化逻辑表达式，从而减少硬件成本和提高电路性能。 常用组合逻辑电路： 详细分析了多路选择器（Multiplexer, MUX）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）、加法器（Adder）、减法器（Subtractor）、比较器（Comparator）、并行乘法器（Parallel Multiplier）等关键组合逻辑模块的设计原理、结构及其应用。例如，在讲解多路选择器时，会分析其如何根据选择信号从多个输入中选择一个输出，并给出相应的逻辑表达式和硬件实现。 争议和冒险现象： 探讨了在实际电路中可能出现的竞争冒险（Race Condition）现象，分析其产生的原因，并介绍如何通过冗余逻辑或脉冲整形等技术来消除或减小冒险的影响。 时序逻辑电路： 深入讲解了时序逻辑电路的特点——输出不仅取决于当前输入，还取决于过去的输入状态，并引入了“状态”的概念。本书详细阐述了： 触发器（Flip-Flop）： 重点介绍了SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器等基本触发器的结构、工作原理、状态转移图和状态转移表。这些触发器是构成存储单元和时序系统的基础。 寄存器（Register）： 讲解了寄存器如何由多个触发器组成，用于存储二进制信息，并分析了移位寄存器（Shift Register）和通用寄存器（Universal Register）的设计。 计数器（Counter）： 详细介绍了同步计数器（Synchronous Counter）和异步计数器（Asynchronous Counter）的设计，包括二进制计数器、BCD计数器、环形计数器（Ring Counter）和约翰逊计数器（Johnson Counter）等。本书还会分析计数器的模（Modulo）的概念以及如何设计任意模的计数器。 有限状态机（Finite State Machine, FSM）： 这是时序逻辑设计中的核心概念。本书详细介绍了摩尔（Moore）型和米利（Mealy）型有限状态机的区别、状态图、状态表的设计方法，以及如何将其转化为硬件实现。 时序电路的设计： 提供了系统性的时序电路设计流程，包括状态图/表的设计、状态分配、卡诺图化简、电路实现等步骤。 第二部分：VHDL语言入门与进阶 这部分是本书的核心，系统地介绍了VHDL语言的语法、语义以及在数字电路设计中的具体应用。 VHDL概述： 介绍VHDL的历史、标准以及其作为一种硬件描述语言的优势，强调其“描述”而非“编程”的特性。 基本语法结构： 实体（Entity）和结构（Architecture）： 详细讲解了VHDL设计中的基本模块——实体和结构。实体定义了模块的接口（端口），而结构描述了模块的内部行为和实现。 端口（Port）： 介绍了输入、输出、双向端口的定义方式，以及端口模式（IN, OUT, INOUT, BUFFER）。 信号（Signal）： 讲解了信号的声明、赋值（过程赋值和并发赋值），以及信号在不同并发语句之间的传递。 常量（Constant）和变量（Variable）： 区分了常量和变量的特性，以及它们在VHDL设计中的使用场景。 数据类型（Data Type）： 详细介绍VHDL内置的数据类型，如STD_LOGIC, BIT, BOOLEAN, INTEGER, REAL, TIME, ENUMERATED TYPE, SUBTYPE等，并重点讲解了IEEE 1164标准中引入的STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR，它们提供了更丰富的逻辑值（'0', '1', 'Z', 'X', 'U', 'H', 'L', '-'）和状态，更能准确地描述实际硬件。 运算符（Operator）： 讲解了算术运算符、逻辑运算符、关系运算符、移位运算符以及它们的优先级。 并发与顺序语句： 并发语句（Concurrent Statements）： 讲解了VHDL中描述并行硬件行为的语句，包括信号赋值语句（`<=`）、组件实例化（Component Instantiation）、条件语句（`when-else`）、选择语句（`with-select`）以及进程（`process`）的并发特性。 顺序语句（Sequential Statements）： 讲解了在`process`语句内部使用的顺序语句，如变量赋值语句（`:=`）、`if-then-else`语句、`case`语句、`loop`语句（`for`, `while`, `loop`）以及`wait`语句。 进程（Process）： 详细讲解了`process`语句的建模能力，它能够描述同步和异步逻辑。特别强调了`process`语句中的敏感信号列表（Sensitivity List）在仿真和综合中的重要性，以及`wait`语句在仿真控制中的作用。 组件（Component）与实例化（Instantiation）： 讲解了如何创建可复用的设计模块（组件），以及如何将这些组件实例化到更高层次的设计中，实现模块化设计。 函数（Function）与过程（Procedure）： 讲解了如何定义和使用函数与过程来封装可重用的代码段，提高代码的可读性和维护性。 属性（Attribute）： 介绍了VHDL的属性机制，用于为信号、类型、实体等添加元数据，例如`'EVENT`, `'LAST_VALUE'`, `'RANGE'`等，这些属性在仿真和综合中具有重要意义。 包（Package）与库（Library）： 讲解了如何使用包来组织和共享VHDL代码，例如IEEE库中的`std_logic_1164`包。 第三部分：VHDL在数字逻辑电路设计中的应用 这部分将前两部分的理论知识相结合，通过具体的实例演示如何使用VHDL来设计各种典型的数字逻辑电路。 组合逻辑电路设计： 使用VHDL描述门级电路，如AND, OR, XOR门。 使用VHDL实现逻辑函数，例如使用`if-then-else`、`case`语句或`with-select`语句。 设计多路选择器、译码器、编码器、加法器、减法器、比较器等。 演示如何使用VHDL描述一个包含多个功能模块的复杂组合逻辑电路，并对其进行仿真验证。 时序逻辑电路设计： 使用VHDL描述触发器，如D触发器。 设计寄存器，包括移位寄存器。 实现各种计数器，例如同步二进制计数器、异步计数器，以及具有特定模的计数器。 使用VHDL实现有限状态机（FSM），包括摩尔型和米利型。书中会给出详细的状态图、状态表到VHDL代码的转换过程。 设计简单的数字系统，如序列发生器、握手协议控制器等。 存储器设计： 使用VHDL描述RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）的基本结构和读写操作。 探讨不同类型的存储器，如SRAM, DRAM, FIFO（先入先出）等。 接口设计： 讲解如何使用VHDL设计简单的接口电路，例如用于连接不同模块的并行接口或串行接口。 同步与异步设计： 深入讨论同步时序逻辑和异步时序逻辑的设计风格，以及它们在实际应用中的优缺点。 强调时钟域（Clock Domain）的概念以及跨时钟域（Clock Domain Crossing, CDC）设计的挑战和方法。 第四部分：高级主题与实践 这部分将进一步探讨更高级的VHDL设计技巧、仿真工具的使用以及一些实践性的建议。 层次化设计（Hierarchical Design）： 讲解如何将大型设计分解为多个可管理的子模块，并通过组件实例化来实现层次化设计，提高设计的可维护性和可复用性。 参数化设计（Parameterized Design）： 介绍如何使用泛型（Generic）和参数化生成器（Configuration）来创建具有可配置参数的设计模块，例如设计一个可以根据参数配置位宽的加法器。 约束与属性的应用： 讨论如何使用VHDL的属性来向综合工具提供设计信息，例如时序约束、物理约束等，以优化电路的性能和面积。 仿真与调试： 讲解如何编写测试平台（Testbench）来仿真VHDL设计，包括激励信号的生成、输出的检查和结果的分析。 介绍常见的仿真器（如Modelsim, QuestaSim）的基本使用方法。 提供调试VHDL代码的技巧和策略。 综合（Synthesis）： 解释硬件综合的概念，即如何将VHDL代码转化为门级网表。强调可综合（Synthesizable）VHDL代码的书写规范，避免使用无法综合的语句（如`wait`语句、非确定性赋值等）。 FPGA/CPLD设计流程： 简要介绍将VHDL设计映射到FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）的整个流程，包括代码编写、仿真、综合、布局布线（Place and Route）、生成比特流（Bitstream）以及下载到硬件。 常见设计陷阱与优化： 总结在VHDL设计过程中可能遇到的常见问题，如状态编码问题、时序违例、不必要的逻辑生成等，并提供相应的优化建议。 设计模式与最佳实践： 分享一些常用的VHDL设计模式和编码风格，指导读者写出高质量、可读性强、易于维护的代码。 实战案例分析： 提供一些典型的数字系统设计案例，例如简单CPU的控制器、总线接口、数据通路的设计等，帮助读者巩固所学知识，并将其应用到更复杂的实际项目中。 本书特色 理论与实践并重： 本书不仅提供了扎实的理论基础，还通过大量的实例和代码示例，让读者能够立即将所学知识应用到实践中。 循序渐进的讲解： 从基本的数字逻辑概念到复杂的VHDL设计技巧，本书的讲解层次分明，易于读者理解和掌握。 丰富的示例代码： 提供的VHDL代码示例清晰、简洁、注释详尽，可以直接用于学习和参考。 针对现代设计工具： 本书的讲解与当前主流的EDA（电子设计自动化）工具和FPGA开发流程紧密结合。 权威性和全面性： 作为第四版，本书在内容上进行了更新和补充，涵盖了VHDL语言及其在数字逻辑电路设计领域的最新发展和最佳实践。 适用读者 本书适合以下读者： 计算机科学与技术、电子工程、自动化等专业的本科生和研究生。 从事数字电路设计、ASIC（专用集成电路）设计、FPGA设计的工程师。 对数字逻辑电路设计和硬件描述语言感兴趣的初学者。 希望深入学习VHDL语言及其在实际工程中应用的专业人士。 通过学习本书，读者将能够熟练掌握VHDL语言，独立完成各种数字逻辑电路的设计，并为从事更高级的数字系统设计打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这个版本的《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》在内容深度和广度上都给我带来了不小的惊喜，尤其是在讲解复杂系统级设计时，作者的处理方式非常细腻。我记得之前读过一些教材，它们往往在理论介绍和实际应用之间存在明显的鸿沟，但这本书在这方面做得非常出色。它不仅仅停留在VHDL语法层面，更深入地探讨了如何利用这种语言来高效地描述和综合现代的数字电路结构。例如，在同步时序逻辑的设计章节，书中的案例分析详实到位，从RTL级别的描述到最终的门级网表映射，每一步的逻辑推导都清晰可见，这对于我理解高层次综合（HLS）的底层原理大有裨益。此外，对于那些初学者来说，书中提供的分步指导和调试技巧也极具价值，它教会我们如何从宏观架构出发，逐步细化到具体的逻辑单元，而不是一开始就被各种复杂的语法细节所淹没。这种循序渐进的教学方法，使得原本抽象的硬件设计过程变得更加直观和可操作。我特别欣赏作者在介绍设计流程时，那种强调验证和约束设置的严谨态度，这在实际工程中是至关重要的。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我带着一些挑剔的眼光开始阅读这本书的，因为市面上的教材往往在新版本中仅仅是修补一些小错误，而缺乏实质性的内容升级。然而，这本书第四版给我的感觉是进行了彻底的现代化重构，特别是在对并行处理和流水线设计理念的阐述上，达到了一个新的高度。作者巧妙地将现代处理器设计中的一些核心思想，比如分支预测和指令预取单元的简化模型，映射到了VHDL的模块级描述中，这为我理解高性能计算硬件打下了坚实的基础。它没有直接去教一个完整的CPU设计，但它提供的那些构建复杂并行数据通路和控制逻辑的“积木块”，其质量和设计思想远超一般教材。对我来说，这本书最大的价值在于，它成功地将那些原本只存在于FPGA厂商官方文档和高级研讨会中的“最佳实践”，提炼并融入到了易于理解的教材框架之中，使得知识的获取门槛大大降低，非常值得反复研读。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和章节组织结构非常流畅，阅读体验极佳，简直是为自学和进阶提升量身定做的。我尤其欣赏作者在每章末尾设置的“深入探讨”或“常见陷阱”环节。这些内容往往不是考试的重点，却是在真实项目中最容易失误的地方。例如，关于如何避免在综合工具中产生不必要的锁存器（Latches）的讲解，作者没有简单地给出if/else的正确写法，而是结合了仿真波形图，直观地展示了锁存器在不同输入组合下的“记忆”行为，这种视觉化的解释瞬间打消了我长期以来对锁存器产生的模糊概念。此外，书中对工具链的认识，例如如何理解综合器和布局布线器对不同VHDL结构的处理差异，也帮助我建立起一个更完整的“代码到芯片”的认知闭环。这使得我不再盲目依赖EDA工具的默认设置，而是能够主动地去影响最终的物理实现结果。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，阅读这本书的过程中，我深刻体会到了一种久违的学习乐趣，这主要归功于其在案例选取和图示表达上的独到匠心。许多技术书籍往往堆砌枯燥的文字和符号，但这本书的配图质量极高，那些结构清晰的波形图、状态图以及模块结构框图，几乎可以独立承担解释部分复杂概念的功能。举个例子，书中讲解有限状态机（FSM）的章节，它没有采用千篇一律的Moore或Mealy状态图，而是结合了实际的协议控制场景，用一种更贴近实际应用的方式来构建状态转移，这让我对状态机的设计意图有了更深层次的把握。更重要的是，书中对不同设计范式——比如面向行为（Behavioral）、面向数据流（Dataflow）和面向结构（Structural）的描述方式——的优劣势对比分析得非常透彻，并给出了明确的使用场景建议，这对于我优化自己的代码风格，写出更高质量、更易于综合的VHDL代码起到了决定性的作用。我感觉自己不再是机械地敲击代码，而是真正开始“思考”硬件的并行性。

评分☆☆☆☆☆

从一个资深工程师的角度来看，这本书的理论深度和前瞻性是其最吸引人的地方。它没有被最新的工具迭代所裹挟，而是稳扎稳打地构建了数字设计最核心的理念。特别是在探讨时序约束和亚稳态处理方面，作者展现了深厚的专业功底。他们不仅解释了如何使用时序分析工具（如`set_input_delay`或`set_output_delay`），更重要的是，深入剖析了这些约束背后的物理意义——例如跨时钟域（CDC）处理中的同步器设计，书中给出的几种主流同步电路（如双触发器同步、异步FIFO）的VHDL实现和原理分析，是教科书级别的范本。这种对细节的精确把握，使得这本书超越了一般的入门指南，成为了一本可以放在案头随时查阅的参考手册。对于那些希望从使用HDL语言的“代码工人”转变为系统级“架构师”的读者而言，这本书提供的理论基石是无可替代的。